少模光纖放大器中的準靜態模式不穩定實驗研究?

羅雪雪 陶汝茂2)3) 劉志巍 史塵2)3) 張漢偉2)3)王小林2)3)? 周樸2)3) 許曉軍2)3)

1)(國防科技大學前沿交叉學科學院,長沙 410073)2)(國防科技大學,高能激光技術湖南省重點實驗室,長沙 410073)3)(大功率光纖激光湖南省協同創新中心,長沙 410073)4)(中國電子科技集團有限公司第二十七研究所,鄭州 450047)

(2018年1月19日收到;2018年3月14日收到修改稿)

模式不穩定發現于2010年,是影響高功率光纖激光器功率提升的重要限制因素.當前模式不穩定主要有兩類,一類是動態模式不穩定,一類是準靜態模式不穩定.本文研究了纖芯/內包層直徑為25μm/400μm摻鐿雙包層光纖后向抽運放大器中的模式不穩定效應.通過對功率、光束質量和時域數據的分析,發現在該放大器中出現了準靜態模式不穩定的現象,隨著抽運功率的增加,放大器輸出光束質量逐步退化,而時域上沒有發現明顯的動態模式不穩定特性.實驗上對不同種子功率下放大器的輸出特性進行研究,結果表明,通過提高種子激光功率可以較為有效地提高模式不穩定閾值,在種子功率為528 W時,當輸出功率大于3000 W,輸出激光效率沒有明顯下降.

1 引 言

自2010年以來,模式不穩定效應(mode instability,MI)已經成為限制寬譜光纖激光器功率提升的重要因素之一[1?4].在MI出現之前,由于光纖中功率密度的不斷增加,進而引起如受激拉曼散射、受激布里淵散射等非線性效應[5],嚴重影響光纖激光器的功率提升和性能穩定性.大模場直徑光纖的出現在一定程度上減輕了非線性效應的影響,但模場直徑越大,光纖中支持的傳導模式越多,導致光纖中易于發生MI,在不控制熱負載的情況下減短光纖長度將進一步降低MI閾值功率[6,7].實驗表明,當輸出功率達到模式不穩定閾值時,光束質量突然退化[8?10],采用包層光濾除手段后,輸出效率降低,也會造成一定程度的功率下降[11?14],在時域上由于模式間的動態能量交換還能觀察到信號光的振幅起伏[15],嚴重阻礙了高功率光纖激光器功率的進一步提升.

對于MI產生的機理幾乎都認為與長周期折射率光柵相關,德國耶拿大學、克萊姆森大學等科研機構的研究人員在建立模式不穩定理論模型的過程中指出[16?21],光纖中的基模與激發的高階模光場間相互干涉,干涉光場對抽運光進行提取引起纖芯內溫度的周期性分布,進而由熱光效應的影響產生折射率光柵,光柵與干涉光場間存在某種原因導致的相移,兩者作用后能量將在基模與高階模之間動態轉換.2016年,美國空軍實驗室的Ward[22]和丹麥科技大學的L?gsgaard[23]分別理論預測了準靜態的模式不穩定效應.與動態MI不同的是,準靜態MI在特定時間尺度上只有基模單向傳遞能量至高階模,且在光束質量退化嚴重時時域上觀測不到起伏[10].他們認為,相移產生的原因是光纖中逐漸加強的光子暗化效應[24],由于該效應,光纖中的熱分布并不會隨著光場強度的變化即時改變,這就導致能量耦合過程發生在分鐘乃至小時的時間尺度上,表現出一種偽穩態傳遞現象.

2017年,本課題組[25]在高功率雙包層摻鐿光纖振蕩器的實驗中觀察到了準靜態的模式不穩定效應.當輸出功率超過1.64 kW時,輸出功率增長變慢,在對光斑形態的監測中發現了由LP01模向高階模退化的現象,時域上也并未出現如動態MI的振蕩起伏.對比而言,通常激光器采用的近單模光纖支持的模式數量少,輸出的激光光束質量較好,而實驗中采用的增益光纖纖芯為20μm,即可允許少數高階模傳導,這是觀察到準靜態MI的原因之一.鑒于目前對大纖芯直徑光纖中的模式不穩定效應實驗研究較少,之前的報道未對光束質量等進行詳細研究[25],本文從纖芯直徑為25μm的少模光纖(支持4—5個模式)放大器出發,詳細地從功率、時域、光束質量等方面對高功率光纖放大器中的準靜態模式不穩定效應進行研究.

2 實驗結構

實驗結構如圖1所示,整個實驗系統采用非保偏主振蕩功率放大結構.振蕩器中,采用9×1的功率合束器將9個中心波長為976 nm的光纖耦合半導體激光器(laser diode,LD)合為一束注入到諧振腔中.諧振腔由高反光柵(high reflector fiber Bragg gratings,HR-FBG)、增益光纖(large mode area ytterbium-doped fiber,LMAYDF)和低反射的輸出耦合光柵(output coupler fiber Bragg gratings,OC-FBG)構成.其中HRFBG反射率為99%,OC-FBG反射率為10%,中心波長在1080 nm,增益光纖纖芯、包層直徑分別為20和400μm.振蕩器輸出激光經過兩段纖芯直徑分別為20和25μm的傳能光纖(GDF)制作的包層光濾除(cladding light stripper,CLS)后,注入放大器中.其中第二段CLS上的20—25μm光纖熔接點,存在一定的纖芯尺寸失配.放大器采用后向抽運結構,通過(6+1)×1的后向合束器分別將抽運光和信號光注入到雙包層增益光纖中.雙包層摻鐿光纖的纖芯、內包層直徑分別為25和400μm,在976 nm處包層吸收系數約為1.28 dB/m,總長度約13 m.放大器中采用976 nm穩波長的LD,合束器單個抽運臂的注入功率大于600 W,總抽運功率可達3 kW以上.合束器信號輸入尾纖纖芯/內包層直徑為25μm/400μm的光纖,輸出尾纖為纖芯/內包層直徑25μm/250μm的光纖,抽運臂纖芯尺寸為220μm,內包層尺寸為242μm.在合束器輸出端同樣接入一段傳能光纖進行包層光濾除,與光纖輸入臂尺寸為25μm/400μm的端帽(QBH)相匹配,以保證高質量激光的輸出.

圖1 后向抽運結構的少模光纖放大器Fig.1.Few-mode fiber amplifier using counter-pump configuration.

在實驗中,種子注入的輸出功率可以在30—703 W范圍內連續可調,光束質量在1.2左右.種子激光經過放大器后,由于包層光濾除的影響,使得實際輸出功率小于種子初始功率,如在種子初始功率690 W時,輸出功率528 W;而且,由于熔點失配,在沒有抽運光注入時,放大器輸出光束質量在1.5左右.

3 實驗結果與分析

為了研究光纖放大器中的模式不穩定效應,首先測量了在不同種子激光注入功率(86,234,381 W和528 W)下放大器輸出激光的功率變化,如圖2所示.未抽運經放大器輸出的種子激光從86 W增加至528 W時,放大器輸出功率也呈線性增加,如在抽運功率1093 W時,86 W種子激光的輸出功率為1030 W,而528 W種子光對應的輸出值為1340 W.從圖2中可以看到,對于不同大小的種子光功率,當抽運功率增加到某一定值時,功率增長緩慢,光-光效率下降.比如,在種子功率為86 W時,當抽運功率大于2030 W,輸出效率開始明顯下降,由87%降至29%.種子注入功率越高,效率下降點對應的輸出功率越高.根據對全光纖模式不穩定的研究分析,效率下降表示可能出現了較多的高階模式[12,15].

圖2 不同種子光注入下的放大器輸出Fig.2.Output power of the amplifier with Different seed laser power.

進一步研究輸出激光的M2(光束質量)特性,實驗中測量了不同種子功率時放大器輸出激光光束質量和遠場光斑演變情況,結果如圖3所示.與圖2中的輸出功率對比,可以發現,當種子功率一定時,在輸出效率下降點附近,光束質量急速退化.如在圖3(a)中,種子功率為86 W,由于放大器增益光纖本身支持的模式數量較多,在未注入抽運功率時,光束質量為1.5左右.隨著輸出功率的增加,兩方向的光束質量逐漸退化.當輸出功率達到1560 W時,光束質量在x方向的值陡然從2變為2.7,y方向從1.7變為2.3,且兩方向差距明顯變大.從光斑形態來看,出現了明顯的LP11模成分.類似地,在不同種子功率情況下,都存在一個光束質量惡化的突變點,種子功率越高,光束質量突變點對應的輸出功率越高.圖3(d)中存在x,y兩方向光束質量大小交替的現象,這是由于種子功率為528 W時,光束質量較低功率時已有明顯下降,種子信號光中已含有少量高階模式,再加上圖1中熔點失配將激發一定量高階模.當種子信號光注入放大器中,隨著抽運功率的增加,放大器內部的高階模式被不同程度激發,考慮到光纖本身布局等外部條件影響,x,y兩方向的傳輸模式將動態改變,導致兩方向上光束質量交替變化.

結合圖2與圖3的結果,不同種子激光功率對應的光-光效率下降前后的輸出情況如表1所列,x,y兩方向光束質量數據的平均值記為M2.由表1可見,在注入其他種子功率的情況下也有相似結果,光-光效率降低的輸出功率點光束質量存在突變,說明此時輸出光束中已包含多個模式,從圖3中的光斑形態上也可以看出不再是近單模衍射光束.根據模式不穩定特性,認為此輸出功率點處MI已經發生,如對于86 W種子功率,MI閾值即為1560 W.從表1中還可以看出,在種子光功率為528 W時,輸出功率3090 W的效率下降情況相較于其他種子功率不是十分嚴重,這是因為提高種子功率對模式不穩定效應具有一定的抑制作用[26,27].在一定范圍內提升種子功率,將減少上能級反轉粒子數,進而增強增益飽和效應,提高模式不穩定效應閾值.

表1 不同種子功率光-光效率下降前后的輸出情況Table1.Output results under Different seed power before/after the optical-to-optical efficiency dropped.

圖3 不同種子功率下放大器的光束質量演化 (a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 WFig.3.Developing process of the amplifier beam quality under Different seed power:(a)86 W;(b)234 W;(c)381 W;(d)528 W.

確定模式不穩定發生后,為進一步分析激光模式是否出現動態耦合,利用光電探測器測量并記錄輸出激光的時域數據.研究表明[28],當動態模式不穩定效應發生時,輸出激光時域信號會隨著基模與高階模之間的動態耦合關系起伏,對時域信息進行傅里葉變換后,得到的頻域圖像會出現其獨有的特征頻率尖峰.因此,根據探測器測得的數據即可判斷模式不穩定的時域和頻域特征.圖4給出了在不同種子功率下,MI閾值處輸出光束的時/頻域圖.在100 ms的時間范圍內,四次閾值處的時域信號在模式不穩定發生后沒有明顯起伏,通過傅里葉變換后,在頻域也未有明顯的特征頻譜出現.結果表明,盡管輸出激光的光束質量退化已經十分嚴重,但在時/頻域上仍觀測不到動態模式不穩定特征.可以認為,在本實驗支持部分高階模傳導的少模光纖放大器中,高功率情況下出現的模式不穩定為準靜態的模式不穩定效應,特定時間范圍內的能量耦合為單向傳遞,不存在交替變化,因而探測器在時域上無法表征其出現.

圖4 不同種子功率下閾值處輸出情況 (a)時域圖;(b)頻域圖Fig.4.Output results of the MI threshold points with various seed power:(a)Time domain traces;(b)frequency domain traces.

此處引入一種基于時域數據對動態模式不穩定是否出現的數值判定方法[29],可深入判斷少模光纖中是否出現動態模式不穩定效應.σ表示時域上信號光的偏移比,表示為

其中P(υ)表示頻率υ處的功率密度.當模式不穩定未出現時,σ值很低,表示在0—30 kHz范圍內功率密度起伏不明顯;而模式不穩定的出現會在0—15 kHz內激發特征頻率成分,導致σ的增加.根據定義,認為當σ增加至10%時即可判定信號光起伏幅度較大,動態模式不穩定出現.以種子光功率234 W的放大器時域信號為例計算其在不同輸出功率下的σ值,結果如圖5所示.圖中數據表明,當輸出功率達到MI閾值功率2030 W,對應圖2(b)中光束質量為2.8時,σ還未達到5%,進一步說明了時域上確實未能觀測到信號光的動態起伏.

圖5 234 W種子功率對應的放大器σ值Fig.5.Calculated σ of the amplifier at 234 W seed power.

4 結 論

本文研究了后向抽運少模光纖放大器中的模式不穩定效應,從實驗結果可以發現,不同的種子功率下,當抽運功率達到某一值時,輸出功率增長幅度減小,光-光效率降低,另一方面,提高種子功率對于輸出功率有一定提升作用,當種子激光功率增加至528 W時,輸出功率在MI閾值3090 W處的效率下降幅度變緩;測量放大器光束質量時不僅能觀測到退化過程,在效率降低點處還存在光束質量的突變,輸出不同于近單模光纖的光斑形態,據此判斷該功率處已發生模式不穩定;進一步研究不同種子功率下模式不穩定閾值點的時域光信號時,無論是示波器探測數據還是數值等式計算,都沒有明顯起伏,頻域也沒有特征頻率尖峰出現,這與動態模式不穩定的耦合特性有著顯著差異.結果表明,由于少模光纖支持高階模式的傳導,其模式不穩定效應為準靜態過程,在光-光效率下降和光束質量突變的同時,發生從基模單向耦合能量至高階模的偽穩態行為.

感謝張坤、徐小勇、劉思柳、陳林、宋濤的大力支持.